晶闸管双闭环不可逆直流调速系统分析

1、晶闸管双闭环不可逆直流调速系统 摘要：晶闸管双闭环不可逆直流调速系统具有优良的静态和动态特性， 它被 广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合， 是应用最广的调速系统之一。 本文 所论述的晶闸管双闭环不可逆直流调速系统。主电路设计是依据晶闸管-电动机 系统组成， 其系统由整流变压器、 晶闸管整流调速装置、 平波电抗器和电动机等 组成。通过三相可控整流电流调整直流电机电枢电压 ,以达到调速的目的 ,同时拥 有电流和转速反馈 ,通过电流返馈可使电机以最大的电流启动或提速 ,而转速反馈 使转速稳定。系统采用双闭环控制具有优良的静态和动态特性。 关键字：直流调速 双闭环 PI 调节 、, 、- 前言 直

2、流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电 气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域 的自动控制系统中。 在工业生产中， 需要高性能速度控制的电力拖动场合， 直流 调速系统发挥着极为重要的作用， 高精度金属切削机床， 大型起重设备、 轧钢机、 矿井卷扬、 城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。 特别是晶闸管一直流电 动机拖动系统、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调 速等优点而被广泛应用。 本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理， 选择合 适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。 控制电路

3、则采用转速负反馈和 PI 调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静 差。此外，我们希望系统在启动时， 一直能有电机过载能力允许条件下的最大电 流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这需要采用电流负反馈来实现。 为了实现转速电流双闭环控制，应采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。 为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器都采用 PI 调节器。 1晶闸管双闭环不可逆直流调速系统的构成 + ASR 速度调节器 ACR 电流调节器TA 交流变换器 TG 测速发电机 U*n 给定速度信号Un 速度反馈信号 U*i 给定电流信号Ui 电流反馈信号 图1-1转速、电流双闭环调速系统结构图 该系

4、统有两个PI调节器，一个是用于转速调节的转速调节器，另一个是用 于电流调节的电流调节器，两个调节器串级连接，其输出均有限幅，输出限幅值 分别为Usm和Umi。由于调速系统的主要被调量是转速，故把转速负反馈组成 的环作为外环（主环），以保证电动机的转速准确地跟随给定值，并抵抗外来的 干扰；把由电流负反馈组成的环作内环（副环），以保证动态电流为最大值并保 持不变，使电动机快速地起动、制动，同时还能起限流作用，并可以对电网电压 波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压Ug来确定，转速调节器ST的 输入M偏差电压为 Uis=Ug- Unf,转速调节器ST的输出电压Us作为电流 调节器LT的给定信号（S

5、T输出电压的限幅值 Usm决定了 LT给定信号的最 大值）；电流调节器LT的输入偏差电压为 Uci=- Us+Ufi,电流调节器LT的 输出电压Uc作为触发电路的控制电压（LT输出电压的限幅值 Umi决定了晶 闸管整流电压的最大值 Udm） ; Uc控制着触发延迟角，使电动机在期望转速下 运转。 系统中电流内环的作用是使电机电枢电流Id服从它的给定值U*i,当U*i不 变时，它表现为恒流调节，否则表现为随动调节。 速度外环的输出为U*i,不直接推动后面的放大器，而是作为电流环的给定值，二者共同构成串级控制系统，不仅能控制转速，而且能控制电流，可充分利用电机 的过载能力，获得较快的动态响应。 1

6、.2转速、电流双闭环系统电路原理图 图1-2转速、电流双闭环系统电路原理图 两个调节器输出都带有限幅，转速 ASR的输出限幅U*im，决定了电流（给 定电压）的最大值；电流ACR的输出限幅Ucm，决定最大输出电压Udm。 1.3转速、电流双闭环系统动态结构图 几i屯流反馈滤波时间常数T和一转速反馈滤波时间常数 图2 2双闭环调速系统的动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi 按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量， 但同时也给反馈信号带 来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的 惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是

7、：让给定信号和反馈信号经过同样的延 滞，使二者在时间上得到恰当的配合， 从而带来设计上的方便。由测速发电机得 到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为 Ton的给 定滤波环节。 2、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 2.1晶闸管的电流、电压定额计算 2.1.1晶闸管额定电压Un 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电 网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，即按下式选 取UN =( 23) Um，式中系数23的取值应视运行条件，元件质量和对可靠 性

8、的要求程度而定。 2.1.2晶闸管额定电流In 为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定 值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按 下式计算：IN=(1.52)KfblMAX。 式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为 共阴极或共阳极电路的支路数。当a =0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算的 晶闸管额定电流为 IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368 (220 1.5)=182.16 242.88A，取 200A。 2.2平波电抗器电感量计算 由于电动机电枢和变压器存在

9、漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时， 要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。 2.2.1电枢电感量LM按下式计算 Lm KdUn 103 2Pn nIn (mH) P电动机磁极对数，KD 计算系数，对一般无补偿电机：KD=812 2.2 .2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算 Lb 二 KbUK% 必(mH ) 100Id U2变压器次级相电压有效值，Id晶闸管装置直流侧的额定负载电流，KB 与整流主电路形式有关的系数。 2.2 .3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算 K心 Id min K是与整流

10、主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693则L = 17.01(mH). 2.3整流变压器容量计算 6脉动整流单元，变压器容量为变频器的1.31.4倍左右。 3、单元电路设计 3.1同步信号电源、正负15V电源设计 高压危险 TSLTS2.TS3: 220VX2-W 同步蜒器YY12-6 rsi 15 v GND -15V -15V 3.2主回路设计 3.3晶闸管触发电路于驱动电路设计 3.3.2用集成器件构成触发电路 Usa sb sc nu ,7 6 53 即 R R rJTlo R nJ R 5 C I 4 R 8 C O R Q mDm-mmn （1 6脚为6路单脉冲输入） R2

11、四C2 !-iH r13|I 畧h 35J R5 至VT 1至VT C6 RP 6 3 5 P 1 R 卜1 -CL F 8 A 凹 C -C3Z -TT K H_1 卜 EJ 16J-! 3 R D 6 R nJ KJ041 6路双脉冲输出） 3Z 5Z 5? 5Z 2 至 VT 3 至VT 4 至VT 5 至VT 332晶闸管驱动电路 +15V -1K5 R7 JK5 GND L-JXITrj昌 二 T.I-JG 吕 7! 3.4限幅电路设计 R r-l Uin Rq 11 Uin Rq O-QZ CH RPi RPi vd22S H M RP， vd32S r * RP? 二极管钳位的外

12、限幅电路“可调 3.5晶闸管保护电路设计 3.5.1晶闸管的过压保护 由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障 等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造 成无正反向阻断能力它相当于整流桥臂发生永久性短路使在另外两桥臂晶闸管 导通时无法正常换流因而产生线间短路引起过电流。整流桥内部原因引起的过流 以及逆变器负载回路接地时可以采用第一种保护措施最常见的就是接入快速熔 短器的方式。 3.5.2晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击 过电压的侵袭同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现 过电压保护

13、的方法是并接 RC阻容吸收回路 3.5.3电压上升率dv/dt的抑制 如果晶闸管上的正向电压上升率dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产 生较大的位移电流该电流可以实际上起到触发电流的作用使晶闸管正向阻断能 力下降严重时引起晶闸管误导通，为抑制dv/dt的作用可以在晶闸管两端并联 RC阻容吸收回路，如下图 并联RC阻容吸收回路 4、双闭环系统调节器的动态设计 设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。 在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是 转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 4.1电流调节器的设计 （1）确定时间常数 整流

14、滤波时间常数Ts,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s电流滤波 时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms,为了基本虑平波头，应 有（12） Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s；电流环小时间常数 TEi,按小 时间常数近似处理，取 TE i=Ts+Toi=0.0037s （2）选择电流调节器结构 由设计要求：（T i% 5%而且： TI T i 0.03 0.0037 = 8.11 ： 10 因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用 PI型，其传递函数为 WACR(s) = is (3) 选择电流调节器参数 ACR超前时间常数：二Tl =0.03

15、s ；电流环开环增益：要求c i%40 =40.52k0，取 40k0 ； t|0.03 Ci Ri 40 1 00 0108=0.75 F ,取 0.75 Co严心牛 R0 =0.Z F，取 0.2咔 RO Ui o C oi n -Id RO C oi RO Ri Ci RO 2 R bal 图3 1含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器 Uc 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：(T i%=4.5%.c n 满足简化条件。现在 1 厂 3 2T 5n 1 1 32 0.0037 0.01 =38.75 WCn 小时间常数近似条件为 / 1 Wen - 3 Y 2T ETom 满足

16、近似条件。 (5)计算调节器电阻和电容 转速调节原理图如图3-2所示，取RoMOk，则 Rn = KnR。=11.7 x 40 = 468k0，取 470kC ； m. Cn0.185F Rn ，取 0.2F . 7 Con 4Ton R0 RORO Un RO RO Rn Cn Rbal Ui Co T 图3 2含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 5、系统仿真与分析 5.1转速、电流双闭环系统的 MATLAB仿真 根据转速、电流双闭环系统动态结构图，采用MATLAB中的simulink工具 箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应进行仿真。仿真可采用面向传 递函数的仿真方法或面向电气

17、系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函 数的仿真方法。 用MATLAB设计的双闭环调速系统的模块图： 5.2根据仿真波形对系统进行分析 根据仿真波形对转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程进行详细 的分析。 521启动过程 双闭环调速系统启动时的转速和电流波形 由图可知双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下3个阶段。 (1) 电流上升阶段。(2)电流保持恒值,电动机恒加速阶段。(3)转速调节阶 段。 加电流启动时电流环将电机速度提高， 并且保持为最大电流，而此时速度环 则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速 换起主要作用，保持转速的稳定。 电机转速

18、曲线 在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节 器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶 段时，ASR 一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环 状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线 性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时， ASR的输入偏差为0,但其输出由于积分作用仍然保持限幅值， 这时电流也保持 为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，Un极性发生了变 化，人5 2，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之 下降。此后

19、，电动机在负载的阻力作用下减速， 转速在出现一些小的振荡后很快 趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过 ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载 能力很强。 电机电流曲线 直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调 节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时， 由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下 降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所 下降，同启动时一样，当转速调节器 ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。 但是

20、由于电流值达到限幅电流时，电流调节器 ACR的作用使电流不再增加。当 扰动取电以后，电流调节器 ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力 作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。 522电动机堵转过程 当电动机发生严重过载或机械部件被卡住时，转速将迅速下降，且ldldm。 此时,由于转速的迅速下降,使 Usi0,故ST迅速饱和，而不再起转速调 节作用，ST的输出为饱和限幅值-Usm;同时，由于ldldm,使厶Uci=- Usm+ B Id0,故LT的输出Uc迅速下降，Ud和Id随之迅速下降，转速急剧下降，但 LT的调节作用将使Id维持Idm不变,直到堵转为止。因此，双闭环调速系统 的堵转电流ID与转折电流IB相差很小，这样便获得了比较理想的“挖土机特 性”。 5.2.3电动机抗扰过程 口 1 800 1 600 1 400 1 200 1 口口 800 600 4OD 200 由图可知，转速与电流双闭环直流自动调速系统对扰动具有很强的抑制能 力。 6、设计结论 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时， 转速和电流的动态过 程如仿真波形所示。由于在启动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、 退饱和三个阶段。 从启动时间上看， 第二阶段恒流升速是主要的阶段， 因此双闭 环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动， 利用了饱和非线性控制方法，